Journal of Bacteriology and Virology 2016. Vol. 46, No. 2 p.71 – 83 http://dx.doi.org/10.4167/jbv.2016.46.2.71

Effects of Rainfall on Microbial Water Quality on Haeundae and Gwangan Swimming Beach

Seoung-Hwa Choi*, Seung-Min Lee, Gyeong-Seon Kim, Mi-Hee Kim, Hwa-Seong Ji, Yu-Na Jeong, Eun-Chul Yoo and Jeong-Gu Cho

Busan Metropolitan City Institute of Health & Environment, Busan 46616, Korea

The associations between storm events, urban runoff and costal water quality have not been well investigated in Korea. A temporal and spatial analysis during summer, 2015 was conducted to determine associates between urban runoff and fecal indicator bacteria (Escherichia coli, Enterococcus) levels at two popular coastal beaches (Gwanganri beach and Haundae beach) in Busan. In this study, a clear relationship between rainfall and elevated number of indicators was observed. Two beaches met the costal beach water health standards after less than 3.0 mm of rain. Only for storms less than 2.5 mm was no observable rainfall effect. Our results revealed that exceedances were greatest in 5 hours following 41.0~45.5 rainfall, then declined the bacterial concentrations in 8 hours after the storm and they generally returned to levels below water health standards within 10~14 hours. But it took 2.7 days to get the level of water quality of dry days. The time required for water quality recovery depends on the intensity and duration of rainfall. In the event of intense rainfall issuance of beach closure by public authorities is warranted to protect public health. Key Words: Coastal beach, E. coli, Enterococcus, Rainfall, Runoff, Costal water quality

INTRODUCTION

부산광역시 보건환경연구원에서는 해수욕장 수질 안전

성을 위해 2002년부터 부산지역 7개 해수욕장을 대상으

로 꾸준히 수질조사를 하고 있으며, 조사 결과 개장 전 · 중 · 후 대체적으로 좋은 수질을 유지하고 있으나, 강우 시 발생하는 강우 유출수의 해수욕장 유입에 따른 해수욕장 수질 악화의 문제점을 꾸준히 지적하여 왔다 (1). 강우 시 지표에 있던 동물분변과 생활 하수, 하수관거 누수 및 기타 세균학적 배출원에서 나온 것들이 강우 유출수에 포

함되어 강과 바다로 들어가 세균학적 오염원으로 크게 작용한다 (2). 국외 관련 연구들에서도 강우 유출수와 수질 변화의 상관성, 수질 변화 특성과 장염발생 가능성에 주목하고 있다 (3~5).

국내에서는 물놀이 용수의 세균학적 수질평가 기준을 제안하기 위해 수질 지표세균들을 조사한 결과 대장균과 장알균이 해수욕장 수질 오염 파악을 위해 적합한 지표종

으로 제시되었다 (6). 안전한 물놀이 수질기준 및 관리방

안 연구(환경부, 2007)에서도 이 두 지표세균은 수인성 장염발생과 연관성이 매우 높음을 보고하였다.

해수욕장의 생물학적 수질평가에 관심을 두는 이유는

71

Received: April 12, 2016/ Revised: May 3, 2016/ Accepted: May 17, 2016 *Corresponding author: Seoung-Hwa Choi. Busan Metropolitan City Institute of Health & Environment, 120, Hambakbong-ro 140 beon-gil, Buk-gu,

Busan 46616, Korea. Phone: +82-51-309-2918, Fax: +82-51-309-2969, e-mail: csw95@korea.kr

**This work was supported partly by a grant from the R&D research program, Ministry of Environment, National Institute of Environmental Research, Republic of Korea (076-1900-1946-309330).

○CC This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/license/by-nc/3.0/).

Original Article

72 S-H Choi, et al.

해안지역은 레크리에이션과 해수욕을 위해 많은 사람들

이 이용하면서 물놀이 중 의도하지 않게 해수를 섭취할 가능성이 매우 크기 때문이며 (7), 인체에 대한 이화학적 요인은 비교적 장기간 노출되었을 때 그 영향이 있는 반면 세균학적 요인은 그 영향이 비교적 즉각적이고 수일 내에 장염과 같은 질병의 발생으로 이어질 수 있기 때문

이다(물놀이지역 수질조사관리 매뉴얼, 환경부, 2008). 이와 관련하여 2013년 12월 개정된 해수욕장 수질기준 운

용지침(해양수산부)에서는 2014년부터 해수욕장 수질 관

리는 기존 이화학적 검사와 총대장균군의 관리에서 장염

발생과 직접적인 연관성이 있는 장알균, 대장균을 관리하

는 것을 주요 내용으로 크게 수정되었다. 앞서 지적하였듯이 해수욕장의 세균학적 수질 악화의

주요인은 강우에 따른 강우 월류수의 해수욕장 유입에 의한 것이다. 미국 캘리포니아주에서는 0.2인치 이상의 강우 또는 분변 지표세균의 오염도가 크게 우려될 때는 72시

간 동안 해수욕장 이용을 하지 않도록 권고하고 있다 (8, 9). 미생물 기준 초과로 인한 해수욕장 폐쇄일수는 미국의 Racine시(위스콘신 주)과 Milwaukee시(위스콘신 주)의 경우에서는 개장 90일 동안 최소 2%에서 최대 47%까지 이루어졌으며, 미국 전역을 보면 1년 동안 총 20,000일 정도이다 (10, 11). 국내에서도 해수욕장의 세균학적 수질 관리에 정책의 초점이 맞춰지긴 하였으나 아직은 강우 후 수질 악화에 따른 이용자제 및 금지 조치에 대한 명확한 가이드라인이 없으며, 실제적으로 해수욕장을 대상으로 강우 후 세균학적 오염도가 어떤 형태로 증가하고, 어떤 형태로 수질이 다시 회복되는 양상을 가지는 지에 대한 구체적인 연구 결과가 아직 미흡한 실정이다.

따라서, 강우 특성에 따른 해수욕장 세균학적 수질 변

화 및 그 회복 특성을 연구하여 강우 이후 세균학적으로 안전한 해수욕을 즐길 수 있는 시기에 대한 참고 기준을 제시하고, 나아가 해수욕장 수질관리 정책에 본 결과를 반영하고자 이 연구를 수행하게 되었다.

MATERIALS AND METHODS

연구대상 및 지점의 선정

부산지역 7개 해수욕장 중 입욕객수와 주변 오염원을 고려하여 해운대 해수욕장과 광안리 해수욕장을 연구대

상으로 하였다. 해운대 해수욕장은 부산광역시 해운대구 우1동과 중1동에 걸쳐서 위치해 있으며 모래사장의 총 면

적은 58,400 m2, 길이는 1.5 km, 폭은 30~50 m이다 (12). 전국에서 가장 해수욕객이 많으며(http://www.tour.go.kr/stat), 지리적으로 개방형만을 가지고 있어 외해와의 수질교환

이 비교적 잘 이루어지고 주변 하천수나 토구들이 존재

하지 않아 강우 월류수에 의한 주변 오염이 비교적 적은 해수욕장이다. 광안리 해수욕장은 부산광역시 수영구 광안2동에 위치하며 모래사장의 총 면적은 82,000 m2, 길이

는 1.4 km, 폭은 25~110 m이다. 인근 300여개의 고급 레스토랑, 카페, 횟집 등이 있고 활어시장과 수변공원이 해수욕장 바로 옆(민락동 방면)에 있다 (13). 지리적으로 수영강 하구와 인접하고 있으며 해수욕장 양 말단 인근에 저지대의 하수를 끌어올리는 하수펌프장을 가지고 있는 특징이 있다. 두 해수욕장의 길이를 토대로 5개의 대표 정점을 지정하였으며, 연구대상 지점은 Fig. 1에 나타내었다.

조사 일정 및 조사 횟수

시료의 채취는 해수욕장 개장 전부터 개장 중인 2015년 5월부터 9월까지 총 20회 실시하였으며, 우기(wet days)의 채수는 해수욕장 개장기인 6~9월 중 2.5 mm 이상 강우 시에 강우 상태에 따라 강우 전 · 중 · 후 총 15회 시료를 채취하였고, 강우 당일부터 3~5일까지 시료를 채취하였다. 조석의 영향을 최소화하기 위해 같은 가급적 조석의 높이

가 유사한 조석의 중간 시간대를 택하여 채수하였다 (8). 6월에는 10~11일에 2회, 25~26일 사이에 5회, 7월에는 13~16일에 6회 그리고 9월 5일에 2회 채수를 실시하였

으며, 별도로 강우 전 수질 상태를 확인하기 위해 건기

(dry days) 채수를 실시하였고 채수 전 최소 3일 이상 강우

가 없는 날을 택하여 5회(5월 6일, 6월 16일, 7월 2일, 8월 11일과 18일) 채수하였다.

강우 event 별 특성 분석을 위해 연구대상 기간 중 총 4번의 강우 event를 중심으로 강우 전 · 중 · 후 시료를 채

수하였으며, 강우 정보 및 시료채취 시간은 Table 1에 나타내었다.

채수 및 이화학 항목 분석 방법

시료의 채취 및 보관은 해양환경공정시험방법(국토해

양부, 2010.07.) 시료의 채취 및 보관 방법에 따라 시행하

였다. 시료채취는 선정된 대표 정점 각 5개 지점에서 실시하였으며 연구기간 내내 동일한 위치에서 채수를 진행

하였다. 채수 깊이는 만 2세 어린이들부터 성인까지 수영

이 가능한 0.7 ± 0.2 m 이상이 유지되는 곳에서 (6) 수표

Effects of Rainfall on Pusan Beach Area 73

면 30 cm 아래에서 1 ℓ 무균채수병 2조씩 채수하였으며 시료의 균질화를 위해 2~3 cm의 공간은 남겨두었고 채수 시 수표면 부유물질이나 침전물 등이 부상하여 유입되지

않도록 하였다. 현장에서 수질측정기(YSI 556MPS, USA) 를 이용하여 수온, 수소이온농도, 염분, 용존산소, 전기전

도도 등을 측정하였고 채수한 시료는 4℃ 이하로 보관하

Sites Location

Gwanganri Beach

(A)

① 35° 8'48.96"N 129° 6'54.50"E

② 35° 8'57.21"N 129° 6'56.20"E

③ 35° 9'5.53"N 129° 7'2.56"E

④ 35° 9'12.78"N 129° 7'11.27"E

⑤ 35° 9'16.15"N 129° 7'22.04"E

Haundae Beach

(B)

① 35° 9'21.40"N 129° 9'18.97"E

② 35° 9'26.62"N 129° 9'28.63"E

③ 35° 9'29.44"N 129° 9'40.57"E

④ 35° 9'31.22"N 129° 9'53.86"E

⑤ 35° 9'32.34"N 129° 10'6.71"E

Figure 1. Study area and monitoring points.

Table 1. Rainfall information and sampling time for the rainfall sampled during the wet days

Rainfall event Date & time Rainfall

(mm) Duration

(h) Maximum rainfall intensity

(mm/h) Sampling start time

1 2015/6/11 10:50 ~ 16:20 3.0 5.5 1.0 ① 2015/6/10 17:00

② 2015/6/11 17:00

2 2015/6/25 17:50 ~ 2015/6/26 06:20 41.5 11.5 12.5

① 2015/6/25 15:00

② 2015/6/25 21:00

③ 2015/6/26 11:00

④ 2015/6/26 14:00

⑤ 2015/6/26 16:00

3 2015/7/11 17:30 ~ 20:00 2015/7/12 03:30 ~ 19:30

4.0 50.5

[54.5]

3.5 16.0

[19.5]

2.5 10.5

① 2015/7/13 15:00

② 2015/7/14 11:00

③ 2015/7/14 16:00

④ 2015/7/15 11:00

⑤ 2015/7/15 16:00

⑥ 2015/7/16 11:00

4

2015/9/1 00:00 ~ 05:50 27.5 5.8 7.5

① 2015/9/5 10:00 ② 2015/9/5 16:00

2015/9/2 18:00 ~ 18:20 15.0 0.3 11.0

2015/9/3 00:40 ~ 01:00 14:40 ~ 15:20

3.0 [45.5]

1.0 [7.1]

1.0

74 S-H Choi, et al.

여 실험실로 운반하여 즉시 세균학적 분석을 실시하였으 며 환경부 수질오염공정시험방법에 따라 추가적으로 화

학적 산소요구량(chemical oxygen demand, COD), 총 부유

물질(total suspended solid, TSS), 총 유기탄소(total organic carbon, TOC), 암모니아성 질소(ammonia nitrogen), 총질소

(total nitrogen), 총인(total phosphorus), 탁도(turbidity) 등의 이화학적 항목 분석을 실시하였다. TOC는 TOC analyzer (TOC-L, Shimadzu, Japan)를 이용하여 비정화성 유기탄

소법으로 분석하였고 총질소와 총인의 함량은 연속흐

름법(AACS-V, BL TEC, Japan)으로, 탁도는 탁도계(Hach 2100AN, USA)를 이용하여 측정하였다. 강우량 자료는 부산 기상청 해운대측정소 자료를 활용하였으며 (14), 조위

(tide level)정보는 국립해양조사원 자료를 참고하였다 (15).

세균학적 분석 방법

대장균, 장알균의 검출을 위해 해수욕장 수질기준 운용

지침(해양수산부 훈령, 2015. 06.)에서 시험 방법으로 제시

한 효소이용정량법으로 분석하였으며 시험절차는 시료를 총 부피가 100 ml가 되도록 멸균 희석수로 희석하여 혼합

한 후 Colilert (IDEXX, Westbrook, USA)을 넣어 혼합한 후

정량 분석용 Quanti-tray (IDEXX, Westbrook, USA)에 넣고 PQ Sealer (Biostron Techonology Inc. Ltd., USA)를 이용하여 트레이를 봉하고 대장균과 장알균 시험을 위해 각각 35 ± 0.5℃에서 18~24시간 41 ± 0.5℃에서 24~28시간 배양 후 형광색 웰을 계수하여 정량하였으며 실험오차를 줄이

기 위해 동일한 시료 희석액을 3배수씩 시험하였다. 시험

조작 시 마다 따로 멸균 희석수 100 ml를 취하여 동일 과정으로 바탕시험을 수행하였다.

분석 자료의 처리

수집된 자료의 도표 처리는 SigmaPlot ver. 12.0 (Systat Software Inc., USA)을 이용하였으며, 통계 처리를 위해서

는 SPSS ver. 17.0 (SPSS Inc., USA)를 사용하였다.

RESULTS

건기와 우기 수질 항목 유의성 및 특성

연구대상 지역의 강우 전과 후의 수질 분석 항목 결과

의 통계적 유의성을 판단하기 위해 t-test를 실시하였으며 아울러 농도분포 특성을 파악하기 위해 기하평균(GM),

Table 2. Geometric mean (GM), minimum (Min), maximum (Max) of each parameter, and significance level (p-value) using paired t-test for comparing the variation between dry days and wet days at Haeundae beach

Parameter Unit Dry daysa

Wet daysb Sig. level (p) GM Min Max GM Min Max

Enterococcus MPN/100 ml 2 1 21

17 1 960 0.000

E. coli MPN/100 ml 15 5 150

186 5 7300 0.000

Salinity PSU 32.9 32.6 33.8

32.0 31.0 33.2 0.002

Turbidity NTU 2.804 1.400 4.600

3.874 0.600 33.900 0.025

Chemical oxygen demand mg/l 1.4 0.6 3.2

0.8 0.1 2.5 0.016

Total organic carbon mg/l 1.3 1.3 1.4

1.4 1.1 2.6 0.480

Total suspended solid mg/l 7.8 4.5 12.8

12.1 2.1 45.0 0.001

Ammonia nitrogen mg/l 0.019 0.003 0.265

0.280 0.036 1.183 0.000

Total nitrogen mg/l 0.059 0.044 0.072

0.416 0.034 1.121 0.021

Total phosphorus mg/l 0.023 0.014 0.032

0.022 0.002 0.067 0.001

Water temperature ℃ 20.6 20.2 21.1

21.9 19.6 23.5 0.011

pH - 8.1 7.9 8.2

8.1 8.1 8.2 0.679 a Days with no rain at least for 3 days b Days with more than 2.5 mm of rain

Effects of Rainfall on Pusan Beach Area 75

최대값(Max), 최소값(Min)을 분석하여 나타내었다(Table 2, 3). 유의성 분석 결과 이화학 항목 중에서는 염분, 부유물

질, 암모니아성 질소, 총 인이 높은 유의성(p < 0.05)을 보여 강우에 따른 오염도 증가를 보여주고 있으나 해수욕장

별 유의성의 차이가 있었다. 그러나, 해운대와 광안리 해수욕장 모두 건기와 우기에 따른 장알균과 대장균의 변화

가 일관성 있게 매우 강한 유의성(p < 0.05)을 나타내었고 강우는 해수욕장의 오염도 변화에 매우 중요한 인자임을 알 수 있었다.

해수욕장별 건기와 우기에서의 수질항목 특성을 보면, 해운대 해수욕장의 경우 건기와 우기에서의 장알균은 100 ml 중 기하평균으로 2 MPN에서 17 MPN로, 대장균은 15 MPN에서 186 MPN으로 증가한 반면, 염분은 32.9 psu (practical salinity unit)에서 32.0 psu를, 부유물질은 7.8 mg/l에서 12.1 mg/l로 나타나(Table 2) 육수 유입에 의한 염분

도와 부유물질의 변화는 크지 않았다. 반면, 광안리 해수욕장에서는 장알균이 100 ml 중 4

MPN에서 40 MPN으로, 대장균은 38 MPN에서 613 MPN으로 급증하였으며 염분과 부유물질 또한 32.0 psu에서 30.1 psu, 11.7 mg/l에서 21.3 mg/l로 나타나(Table 3), 강우에 따른 육수의 유입량과 주변 부유물질이 증가하여 세균 농

도 증가에도 강한 영향을 주고 있음을 알 수 있었고 해운

대 해수욕장에 비해 강우 영향을 더 크게 받고 있었다.

건기와 우기의 지표세균의 분포

연구대상 전 기간에 걸쳐 건기와 우기 시 해수욕장 세균학적 농도 변화를 총괄적으로 분석하고 그래프로 나타

내었다(Fig. 2). 세균 농도 분포를 보면 장알균은 건기에는 100 ml 중

1~21 MPN, 우기에는 1~3,200 MPN 범위에 있었다. 반면, 대장균은 건기에는 5~150 MPN, 우기에는 5~24,000 MPN까지 넓게 분포하여 강우로 인하여 대장균의 유입량이 많았음을 보여주고 있었다. 강우에 따라 지표세균이 증가했

다가 감소하는 것은 두 해수욕장에서 비슷한 양상을 나

타내었다. 지역적으로 광안리 해수욕장은 건기와 우기 전 기간에서 해운대 해수욕장에 비해 세균 농도가 대부분 높았으며 강우 영향으로 인한 세균 증가폭도 대체적으로 해운대에 비해 높았다.

강우 event에 따른 세균학적 수질 변화

연구대상 기간 중 총 4번의 강우 event를 대상으로 강우 전 · 중 · 후 세균학적 수질 변화를 분석하였다. 현재의

Table 3. Geometric mean (GM), minimum (Min), maximum (Max) of each parameter, and significance level (p-value) using paired t-test for comparing the variation between dry days and wet days at Gwanganri beach

Parameter Unit Dry daysa

Wet daysb Sig. level (p) GM Min Max GM Min Max

Enterococcus MPN/100 ml 4 1 49

40 1 3200 0.002

E. coli MPN/100 ml 38 5 310

613 16 24000 0.000

Salinity PSU 32.0 31.3 32.5

30.1 26.7 32.4 0.007

Turbidity NTU 5.933 2.900 9.600

8.333 1.500 35.600 0.102

Chemical oxygen demand mg/l 3.0 1.2 8.1

2.1 0.7 6.6 0.035

Total organic carbon mg/l 2.1 1.4 4.0

1.5 1.1 2.4 0.000

Total suspended solid mg/l 11.7 7.5 44.7

21.3 7.1 67.9 0.000

Ammonia nitrogen mg/l 0.000 0.000 0.000

0.170 0.001 1.213 0.000

Total nitrogen mg/l 0.266 0.233 0.323

0.685 0.131 1.625 0.038

Total phosphorus mg/l 0.039 0.036 0.042

0.051 0.009 0.105 0.000

Water temperature ℃ 21.6 20.8 22.4

21.5 18.9 23.3 0.944

pH - 8.2 8.2 8.2

8.1 8.1 8.3 0.084 a Days with no rain at least for 3 days b Days with more than 2.5 mm of rain

76 S-H Choi, et al.

해수욕장 수질기준운용지침(해양수산부 훈령, 2015. 06.)에 따르면 해수욕장 수질기준은 해운대와 광안리 해수욕장처

럼 백사장의 길이가 1 km 이상인 경우에는 5개의 조사지

점에서 10개 시료[5개 지점, 2개 항목(장알균, 대장균)] 중 6개 이상의 시료가 수질기준(장알균 100 MPN/100 ml 이하, 대장균 500 MPN/100 ml 이하)에 적합하여야 한다. 따라서, 본 연구에서는 강우 특성에 따른 해운대 및 광안리 해수욕장 대표 5개 정점의 수질 변화 및 수질기준에 적합

한 수질까지 회복되는데 걸리는 시간 또는 강우 전 수질

로 복귀하는데 소요되는 시간에 초점을 두고 지표세균 변화를 분석하였다.

6월 11일 3 mm(5.5시간) 강우

6월 11일 10:50~16:20(5.5시간) 동안 3 mm(최대강우 강도 1 mm/h)의 강우가 관측되었다. 강우 전일(6/10, 17:00)과 강우 직후(6/11, 17:00)에 시료를 채취하여 분석한 결과, 해운대 수욕장은 강우 직후 5개 채취지점 모두에서 장알

균, 대장균의 농도에 큰 변화가 없이 평상 시 수질을 유

Figure 2. Variability of Enterococcus and E. coli at Haeundae (HW) and Gwanganri (GA) in Dry days (Dry) and Wet days (Wet). The stripes indicate wet days.

Effects of Rainfall on Pusan Beach Area 77

지하고 있었다. 반면, 광안리 수욕장은 강우 직후 해수욕

장 가장 서편인 광안리 1지점에서 장알균과 대장균이 기준을 초과하였으나 나머지 4개 지점에서는 강우 전에 비하면 10배 정도 세균수의 증가는 있었으나 해수욕을 위한 수질기준에는 적합한 수준을 나타내었다(Fig. 3). 따라서, 강우 지속 시간이 비교적 긴 3 mm 이하의 강우에서는 강우 직후 해수욕을 즐기는데 공중 보건학적으로 문제가 없음을 알 수 있었다.

6월 25~26일 41.5 mm(11.5시간) 강우

6월 25일 17:50부터 6월 26일 6:20까지(11.5시간) 동안 연속하여 41.5 mm(최대강우 강도 12.5 mm/h)의 누적강우

가 있었고 강우 전 · 중 · 후 세균 농도를 분석하였다. 강우

전 채수는 비가 오기 2시간 전에, 강우 중 채수는 강우가 시작되고 3시간 경과(누적강우 2.5 mm)한 후에 그리고 강우 후 채수는 강우 종료 후 5시간 경과(6/26, 11:00), 8시간 경과(6/26, 14:00), 10시간 경과(6/26, 16:00) 시점에 분석하

였다. 해운대 해수욕장은 강우 전 채수에서 5개 지점 동일하

게 장알균, 대장균 수치가 매우 낮았으며 안정적인 수질 상태를 보였으나, 강우 3시간 경과 후 지점별로 장알균수

는 큰 변화가 없었고 대장균은 수질기준의 0.4~0.8배를 나타내었다. 강우 종료 후 5시간이 지나서는 장알균은 수질기준의 3.9~9.6배, 대장균은 2.2~14.5배까지 증가하였다

가, 8시간 경과 후부터 장알균은 감소하고 대장균은 유지 상태였다가 10시간 후에는 6개 지점이 수질기준 이하로

Figure 3. 3.0 mm Rainfall for 5.5 hours and concentration of Enterococcus and E. coli at 5 sampling sites of Haeundae (A) and Gwanganri(B). The dot lines indicate costal beach water health standards.

A

B

78 S-H Choi, et al.

내려가 해수욕에 적합한 수질로 회복되었다(Fig. 4). 광안리 해수욕장은 2.5 mm가 내린 강우 중 채수에서

대장균은 큰 변화가 없었고, 장알균은 3개 지점에서 수질

기준을 초과하였다. 강우 종료 5시간 후에는 5개 지점 모두 장알균, 대장균 모두 수질기준의 8~15배 수준으로 악화된 수질을 보였다. 강우 종료 8시간 후에 감소 추세를 보였으나 10시간 경과 후에도 부적합한 수질을 나타내었

다(Fig. 4).

7월 11~12일 54.5 mm(19.5시간) 강우

2015년 제9호 태풍 찬홈의 간접 영향으로 7월 11일 17:30~20:00(3.5시간) 4.0 mm, 7월 12일 03:30~19:30(16시

간) 50.5 mm가 발생하여 19.5시간 동안 54.5 mm의 누적

강우가 발생하였으며 시간당 평균강우 강도 3.0 mm/h, 최대강우 강도 10.5 mm/h를 나타내었다.

해운대 해수욕장은 강우 종료 20시간 경과(7/13, 15시) 시점에 지점별로 장알균은 수질기준의 4.3~8.5배까지, 대장균은 3.2~6.4배까지 증가하여 여전히 높은 세균 농도를 유지하고 있었다. 40시간 경과(7/14, 11시) 후 장알균은 전 지점 수질기준 이하로 대폭 감소한 상태였으나, 대장균은 수질기준보다 2.1~7.3배로 높은 상태를 나타내다가 45시간 경과(7/14, 16시) 후에 수질기준 수준으로 회복되어 64시간 후(7/15, 11시)에 해수욕에 적합한 수질로 안정화

되었으며, 69시간 후(7/15, 16시)에는 강우 전 수질로 완전

Figure 4. 41.5 mm rainfall for 11.5 hours and concentration of Enterococcus and E. coli at 5 sampling sites of Haeundae (A) and Gwanganri (B). The dot lines indicate costal beach water health standards.

A

B

Effects of Rainfall on Pusan Beach Area 79

히 회복하였다. 광안리 해수욕장의 경우 강우 종료 20시간 경과하면서 지표세균이 기준의 최대 12~13배까지 급증하였다가 40시간이 경과하면서 장알균은 감소 추세를 보이는 데 반해 대장균은 최대 40배까지 더 증가하였다

가 45시간이 지난 시점에는 감소하기 시작해 64시간 경과 후에는 수질기준 이하로 대폭 감소하였으며 88시간 이후

(7/16, 11시)에는 강우 전 수질로 복귀하였다(Fig. 5). 결과적으로, 태풍 간접 영향으로 인한 54.5 mm의 강우

이후 해운대 해수욕장은 1.9일 만에 적합한 수질을 나타

내었고 2.9일이 지나면서 강우 전 수질로 회복되었으며, 광안리 해수욕장은 2.7일 만에 적합한 수질을 나타내었고

3.7일 만에 강우 전 수질로 복귀되었다.

9월 1~3일 45.5 mm(11시간) 강우

9월 1일 00:00~05:50까지 27.5 mm(최대강우 강도 7.5 mm/h), 9월 2일 18:00~18:20(최대강우 강도 11.0 mm/h)까지 15 mm의 강우, 9월 3일 00:40~01:00, 14:40~15:20까지 3 mm(최대강우 강도 1 mm/h)가 발생하였으며 3일간 누적강우 45.5 mm가 있고 난 후 64시간(2.7일) 경과 후 시료를 분석하였다. 수질기준 이하로 세균은 감소한 상태였

으며 해운대와 광안리 해수욕장 모두 강우 전 건기의 수질로 회복되었다(Fig. 6). 이것으로 45.5 mm 강우 종료 후

Figure 5. 54.5 mm Rainfall for 19.5 hours and concentration of Enterococcus and E. coli at 5 sampling sites of Haeundae (A) and Gwanganri (B). The dot lines indicate costal beach water health standards

A

B

80 S-H Choi, et al.

2.7일이 지나고 나면 강우 전 수질로 회복하는 것을 알 수 있었다.

DISCUSSION

부산시 주요 해수욕장인 해운대 해수욕장과 광안리 해

수욕장을 중심으로 해수욕장의 주요 수질 오염 원인이 되는 강우 후 유출수에 의한 해수욕장 수질의 세균학적 변화 특성 및 수질 회복 시간을 연구하여 해수욕장 수질 안전에 대한 가이드라인을 제시하고자 하였다. 강우 전 · 후에 따른 수질 변화를 판단하기 위해 수질 분석 항목 간 유의성을 분석한 결과, 해운대와 광안리 해수욕장에서 이화학적 항목에 비해 세균학적 변화가 통계적으로 더 유의

성(t-test, p < 0.05)을 나타내었고, 강우 유출수가 해수욕장의 세균학적 수질 오염에 매우 중요한 인자임을 증명하였다.

해운대 해수욕장은 강우 시 육수 유입에 의한 염분도와 부유물질의 변화는 크지 않은 반면, 광안리 해수욕장에는 강우에 따른 육수의 유입량과 주변 부유물질이 증가하여 세균 농도 증가에 강한 영향을 주고 있었고 강우 시 세균 증가폭도 더 큰 폭으로 나타나, 광안리 해수욕장은 강우 유출수에 의한 영향이 더욱 크다는 것을 확인할 수 있었

다. 물놀이지역 수질조사관리 매뉴얼(환경부, 2008)에 따르면 대장균은 사람과 동물 모두에서 장내에 기생하는 세균으로 미처리된 하수 100 ml에서 106~107 MPN이 존재하

며 장알균은 온혈동물의 장내에서만 주로 서식하며 미처

리된 하수 100 ml 중 4.7 × 103 ~ 4 × 105 MPN 가량 존재

하기 때문에 강우 시 유출수 및 주변 미처리 하수 등을 통한 유입 우려가 큼을 확인할 수 있고, 주변 하천수나 인근 토구 등과 인접하고 있는 광안리 해수욕장이 강우 혹은 비강우 시에도 수질 악화 우려가 더 큼을 확인할 수

A

B

Figure 6. 45.5 mm Rainfall for 3 days and concentration of Enterococcus and E. coli at 5 sampling sites of Haeundae (A) and Gwanganri(B). The dot lines indicate costal beach water health.

Effects of Rainfall on Pusan Beach Area 81

있었다. 강우 event 특성별로 분석한 결과, 강우 지속 시간이 비

교적 긴 2.5~3 mm 이하의 강우 이후에는 해수욕장 수질

기준을 충분히 만족하였다. 단, 해수욕을 위한 수질기준

에는 적합한 수준을 나타내었으나 4지점에서는 강우 전에 비하면 10배 정도의 세균 증가는 있었고, 해수욕장 가장 서편인 광안리 1지점에서 장알균과 대장균이 기준을 초과

하였다. 이 지점은 조류에 의해 해안가로 밀려온 해조류

가 다른 4개 지점에 비해 많으며 해조류에 세균들이 붙

어 해수로 탈리되어 오염을 유발하고 유지시키는 역할을 할 수도 있기 때문에 (6) 개장기 중 해조류 제거 작업이 주기적으로 이루어지는 것이 중요할 것으로 판단한다. 일반적으로 지속 시간이 긴 강우는 강우 직후 수질의 악화

가 가장 큰 편임 (7)을 감안하면, 5.5시간 지속한 3 mm 강우에 의해서 해운대 해수욕장에서는 강우로 인한 세균 오염도 변화가 확인되지 않았으며, 광안리 해수욕장에서는 강우 직후 세균 농도가 일부 증가하였지만 해수욕장 수

질기준은 충분히 만족함을 알 수 있었다. 강우 지속 시간이 긴 41.5 mm 강우 종료 이후 세균 농

도는 5시간 안에 최대치를 보이다가 8시간 후부터 감소

하여 해운대는 10시간 이내, 광안리는 강우 종료 8시간 후에 감소 추세를 보였으나 10시간 경과 후에도 부적합

한 수질을 나타내었다. 그러나, 본 연구에서 10시간 이후 채수 분석 결과가 없어 적합한 수질로의 회복 시간을 정확히 확인하기는 어려웠다. 따라서, Kim 등 (16)의 연구 방법에 따라 6월 25일~26일 사이에 채수하여 분석하여 얻은 시간에 따른 세균 농도 감소 데이터를 바탕으로 회귀 분석을 실시하여 세균불활성화 계수(Kd, 시간당 log 단위)값을 도출한 뒤 세균 기준 농도 이하로 세균이 감소하

는 시간(Tst)을 분석해 보았다(Table 4). 그 결과 장알균은

강우 종료 후 13시간 만에, 대장균은 13.9시간 이후에는 기준에 적합한 수질로 회복되는 것을 유추할 수 있었다. 또한, 누적강우 45.5 mm가 있고 64시간(2.7일) 경과 후 해운대와 광안리 해수욕장 수질은 수질기준 이하로 세균이 감소한 상태였으며 대략 3일이 지나면 강우 전 수질로 회복하는 것을 다시 확인하였다.

Byeon 등 (7)도 강우 시 상당량의 오수와 우수가 바다

로 방류되는 덴마크의 Gentofte 지역 해안가에서 10시간 동안 39 mm 강우(최대강우 22.52 mm/h) 발생 이후, 세균

의 확산면적이 좁지만 해수욕장 인근에 매우 높은 농도 발생하였고 강우 종료 직후 대장균이 최대 농도를 나타

내었으며 강우 종료 이후 세균이 기준(500 count/100 ml) 이하가 되는 데는 약 6~9시간이 소요되었다는 결과를 제시한 바 있어 해안의 특성과 강우 특성에 따라 수질 회

복 속도에 차이가 있음을 알 수 있었다. 따라서, 6월 25일과 26일 강우 event 분석을 통해 2.5

mm 정도의 강우에서는 해운대, 광안리 모두 수질기준에 부합하는 것을 다시 확인할 수 있었고, 강우 지속 시간이 11.5시간으로 매우 길었던 누적 41.5 mm 강우 종료 후 5시간 안에 세균 농도가 최대치를 보였다가 8시간 이후

부터는 감소하여, 해운대 해수욕장은 10시간 만에 해수

욕에 적합한 수질로 회복되었고 광안리 해수욕장은 대략 14시간이 걸리는 것을 확인하였다.

다만, 태풍의 간접 영향으로 인한 54.5 mm의 강우에 의해서는 해운대 해수욕장은 강우 종료 20시간 경과 후 여전히 높은 세균 농도를 유지하다가 40시간 경과 후 장알

균은 전 지점 수질기준 이하로 대장균은 수질기준보다 45시간 경과 후에 수질기준 수준으로 회복되어 강우가 종료되고 64시간 후에 해수욕에 적합한 수질로 안정화되었

으며, 69시간 후에는 강우 전 수질로 완전히 회복하였다. 광안리 해수욕장의 경우 강우 종료 20시간 경과하면서 지표세균이 기준의 최대 12~13배까지 급증하였다가 40시간

이 경과하면서 장알균은 감소 추세를 보이는 데 반해 대장균은 최대 40배까지 더 증가하였다. Hurst 등 (17)은 대장균이 환경 중에 배출될 경우 생존율이 일정하지 않고, 열대나 우리나라 같은 중온 기후에서는 재성장 가능성이 있다고 보고한 바 있고, Kim 등과 Noble 등의 실험실 조건에서 대장균 사멸속도 조사 결과에서도 유사한 결과가 관찰된 바 있으나 (18, 19), 광안리 해수욕장에서만 증가한 원인을 설명하기는 어려웠다. 대신 광안리 해수욕장 염분 측정치를 확인한 결과 강우 전 염분 평균이 32.0 psu였으

Table 4. Inactivation coeffients (Kd) and time to decrease bacterial concentration by water quality standard during June 25 ~ June 26

Costal beach Indicator bacteria Kd Tst (h)a

Haeundae beach Enterococci -0.548 8.0

E. coli -0.289 10.8

Gwanganri beach Enterococci -0.263 13.0

E. coli -0.291 13.9

a Tst: Time for bacterial concentration to decrease by water quality standard

82 S-H Choi, et al.

나 강우 종료 40시간이 지난 시점에도 평균 29.1 psu인 것으로 볼 때 해수욕장 인근 수영만 육수 유입 또는 주변 토구 등에서의 오염원 지속 유입에 기인할 것으로 판단하

였다. 따라서, 54.5 mm의 누적강우 이후 해운대와 광안리 해수욕장이 해수욕에 적합한 수질이 되기 위해서는 1.9~

2.7일이 소요되었으며 강우 전 수질로 완전히 복귀하기 위해서는 2.9~3.7일이 걸리는 것으로 확인되었으므로, 태풍이 지난 후 날씨가 좋아지더라도 2~3일 정도의 이용 통제를 권고해야 할 필요가 있다.

또한, 강우 event 별로 비가 오고 난 후 강우 유출수 등에 의한 세균 농도의 증감 특성을 확인하였다. 이번 연구

는 해수욕장 개장시기와 관련하여 2015년 5~9월을 중심

으로 하였고 대상 기간 중 부산지역 강우 특성이 2~5일

간 연속강우로 인한 다량의 강우이거나 매우 소량 강우

의 특성을 주로 나타내어 10 mm 이하, 10~30 mm 강우

에 대한 조사는 이루어지지 못했다. Byeon 등 (7)은 덴마

크의 Gentofte 지역 해안에서 20시간 동안 총 19.4 mm (최대 강우강도 8.64 mm/h)의 강우가 발생하였을 때 장시

간 강우로 인해 강우 확산면적이 넓게 분포하여 기준

(500 count/100 ml)에 적합한 수질이 되는데 소요 시간이 약 8~10시간이었다고 보고하였다. 본 연구에서는 보다 다양한 강우 패턴에 대한 분석이 이루어지지는 못했으나, 앞서 분석한 강우 event와 기존 연구 결과들을 참고하여 하절기 다양한 강우 패턴에 의한 영향을 간접적으로 판단

할 수 있을 것이다. 앞서 기술한 바와 같이, 강우로 인해 해운대와 광안리

해수욕장에 장알균, 대장균과 같은 분변오염 지표세균들

이 크게 증가하고 있었고 증감 양상의 변화에 주된 요인

을 주고 있는 것은 강우 시 합류식 하수관거 월류수, 강우 시 지면의 원인 모를 비점오염원들과 함께 생활 하수 및 동물분변 등이 포함된 강우 유출수가 세균학적 오염원

으로 크게 작용하기 때문이라고 판단하였다. 특히, 광안리 해수욕장은 지리적으로 수영강 유역과 바로 인접하고 해안이 개방되어 있지 않고 만의 특성을 가지고 있어 수영

강의 강우 시 주된 오염원인 토지계 비점오염원과 합류

식 하수관거 월류수(Combined Sewer Overflows, CSOs)에 의한 영향 (20)을 크게 받고 있어 강우로 인한 수질 악화 이후 해운대 해수욕장에 비해 상대적으로 수질 회복이 지연되고 있음을 확인할 수 있었다. 그러므로, 해수욕장이 안정적 수질을 유지하기 위해서는 비점오염원 저감 및 하수관거 정비를 통한 강우 유출수 오염부하량를 줄여나가

는 정책이 이루어져야 한다고 판단한다. 또한, He 등 (8)과 Byeon 등 (7)은 해수욕장 인근 토출

구로부터 거리, 바람강도, 바람방향, 조석의 높이, 파도의 높이, 강우, 기온, 수온, 일조량 등 강우 후 경과 시간 등 분변오염지표의 시공간적인 다양성의 변화가 매우 큼을 강조하면서 성공적인 예측 모델 마련을 위한 연구 결과들

을 제시하였다. 따라서, 각기 다른 해변의 지리적 조건, 다수의 영향인자, 강우 사상의 다양성 등을 고려해 볼 때 국내에서도 보다 양질의 해수욕장 수질정보를 제공하기 위해서는 덴마크 등 유럽에서 구축 운영 중인 기상예보와 연계한 수질 예측을 통한 실시간 예보시스템 (7, 21)과 같은 사전에 예측 가능한 시스템 도입이 필요하며 관련 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것이다. 성공적인 예측시

스템 마련을 위해서는 모델의 해석 결과를 검증해주는 실측자료의 축적이 매우 절실하다.

결론적으로, 이번 연구를 통해 해수욕장 수질 악화의 가장 큰 요인인 강우 유출수 유입에 따른 해수욕장 내 세균 증감 분석 결과를 구체적으로 제시함으로써, 수인성 질병 예방을 위한 해수욕장 입욕객 통제 관리를 위한 과학적 가이드라인 마련을 위한 연구가 이루어졌다고 판단

하며 더 나아가 시간별 연구데이터들은 해수욕장 수질 예보시스템 도입을 위한 모델 검증 실측자료로 활용할 수 있을 것으로 기대한다. 또한, 해수욕장이 안정적 수질을 유지하기 위해서는 하수관거 정비 및 비점오염원 저감을 통한 강우 유출수 오염부하량을 줄여나가는 정책이 이루

어져야 할 것으로 판단한다.

REFERENCES

1) The Annual Report of Busan Metropolitan City Institute of Health & Environment 2002-2014;12-24.

2) Drew A, Stephen BW. Relationship between rainfall and beach bacterial concentrations on Santa Monica Bay beaches. J Water Health 2003;1:85-9.

3) Weiwei Z, Juying W, Jingfeng F, Dalu G, Hongyan J. Effects of rainfall on microbial water quality on Qingdao No. 1 Bathing Beach, China. Marine Pollution Bulletin 2013;66:185-90.

4) Rachel TN, Stephen BW, Molly KL, Charles DM, John HD, Patricia Vainik, et al. Storm effects on regional beach water quality along the southern California shoreline. J Water Health 2013;1:23-31.

Effects of Rainfall on Pusan Beach Area 83

5) Dwight RH, Semenza JC, Baker DB, Olson BH. Association of urban runoff with coastal water quality in Orange county, California. Water Environ Research 2002;74:83-90.

6) Ann TS, Seo EY, Han JM. Water quality monitoring in the eastern coast of Korea. Korea Marine Pollution Response Corp. Report, 2013.

7) Byeon SJ, Choi GW, Jo HG. A study on discharged coliform into coastal bathing water after rainfall event. J Korean Soc Hazard Mitig 2011;11:337-43.

8) He LM, He ZL. Water quality prediction of marine recre- ational beaches Receiving watershed base flow and storm water runoff in southern California, USA. Water Research 2008;42:2563-73.

9) County of San Diego. 2015; http://www.sdbeachinfo.com 10) State of Wisconsin. 2015; http://www.beachapedia.org/

State_of_the_Beach/State_Reports/WI/Water_Quality 11) EPA annual report, USA, 2006-2007 12) Haeundae-Gu. 2015; http://sunnfun.haeundae.go.kr 13) Suyeong-Gu. 2015; http://www.suyeong.go.kr/gwangalli/

main.asp 14) Korea Meteorological Administration, 2015; http://www.-

kma.go.kr

15) Korea Hydrographic and Oceanographic Agency. 2015; http://www.khoa.go.kr

16) Kim JM, Jheong WH, Choi HJ. Inactivation rate of Entero- cocci and total Coliforms in fresh water and sea water. J Kor Soc on Water Quality 2009;25:136-41.

17) McFeters GA. Drinking water microbiology: Progress and recent developments, New York: Springer;1990.

18) Kim JM, Jheong WH, Chung HM, Won SM. Total coli- forms viability in effluent of wastewater treatment plant discharged into the ocean. J Kor Soc on Water Quality 2007;23:12-8.

19) Noble RT, Lee IM, Schiff KC. Inactivation of indicator microorganism from various sources of faecal contami- nation in seawater and freshwater. J Appl Microbiol 2004; 96:464-72.

20) Shin SG, Bak KH. Development of integrated Suyeong river watershed management strategy. Busan Development Institute Research paper 2013. p. 30-32.

21) Ole Mark, Anders Erichsen, Towards Implementation of the new EU Bathing Water Directive-Case studies. Copen- hagen & Arhus, Denmark: NOVATECH;2007.